危險廢物快速定性檢測裝置開發(fā)研究

尹翠儀，劉卓芳，李啟祥，李仁義，梁藝泉

（1.江門市崖門新財富環(huán)保工業(yè)有限公司，廣東 江門 529100；2.惠州市博晟智控技術(shù)有限公司，廣東 惠州 516000）

隨著世界各地工業(yè)化快速增長，工業(yè)生產(chǎn)過程排放的危險廢物日益增多。據(jù)估計，全球每年危險廢物產(chǎn)生量約為3.3億噸。近年來國內(nèi)危險廢物處置行業(yè)和資源化經(jīng)濟(jì)循環(huán)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，安全檢測分析隨著危險廢物處置量的增加而逐漸被重視，但國家尚未出臺危險廢物檢測分析標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)檢測方法基本參照國外危險廢物標(biāo)準(zhǔn)——指紋分析，但傳統(tǒng)指紋分析存在一定的局限性，危險廢物分析對場地和人員專業(yè)性要求高，檢測結(jié)果容易受外界環(huán)境和人為因素影響。

文章將參考各項(xiàng)目的反應(yīng)原理，探究各指標(biāo)間的對應(yīng)性與關(guān)聯(lián)性，將相關(guān)專業(yè)理化檢測手段與企業(yè)端的現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合，成功開發(fā)出一套便攜式的危廢快速定性分析系統(tǒng)，多組合集成檢測項(xiàng)目，具有智能化、信息化、數(shù)據(jù)化的運(yùn)行系統(tǒng)，為建立信息化危廢處置智能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 危險廢物指紋分析檢測與應(yīng)用

通過借鑒國外危險廢物檢測標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，分析各項(xiàng)目的反應(yīng)原理，形成下列國內(nèi)通用的危險廢物快速定性方法——指紋分析。指紋分析包括危險廢物物理特性和水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、聚合性、可燃性、酸堿性、氧化性、硫化物、氰化物、氨、酚類化合物、放射性共13項(xiàng)反應(yīng)性指標(biāo)，一般可通過目視法、試紙法、明火測試法和放射性方法分析。

1.1 目視法

目視法是通過視覺和嗅覺等感官判斷危險廢物物理特性，其他反應(yīng)性檢測則是向危險廢物樣品中加入某些試劑，觀察混合物物理形態(tài)變化、化學(xué)反應(yīng)變化和溫度變化，達(dá)到初步判斷危險廢物的基本特性，此類方法可運(yùn)用于判斷水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、聚合性、酚類化合物。

1.2 試紙法

試紙法是以市面上在售的快速定性試紙為檢測介質(zhì)，根據(jù)試紙檢測要求對危險廢物或試紙本體進(jìn)行預(yù)處理，如加熱、酸化、濕潤等方式，取危險廢物或其混合物滴加在試紙表面，觀察試紙變化與否以判斷其反應(yīng)性，此類方法可運(yùn)用于判斷酸堿性、氧化性、硫化物、氰化物和氨。

1.3 明火測試

可燃性是通過明火燃燒廢物樣品，通過觀察樣品與明火距離或火焰大小可判斷可燃性測試結(jié)果。檢測人員通過明火測試現(xiàn)象不僅能確定危險廢物的可燃性，更能初步判斷危險廢物的閃點(diǎn)范圍。

1.4 放射性測試

放射性是利用放射性探測器應(yīng)放置在遠(yuǎn)離樣品表面25 mm處至少5 min，觀察裝置響應(yīng)結(jié)果。放射性測試主要針對于核廢料，其他危險廢物一般不具備放射性。

2 危險廢物檢測裝置現(xiàn)狀與前景

對于危險廢物關(guān)鍵指標(biāo)定量檢測，如熱值、硫、氯等有的便攜式設(shè)備，但危險廢物定性分析未發(fā)現(xiàn)有多組合的便攜式智能化、自動化檢測設(shè)備。危廢領(lǐng)域行業(yè)競爭激烈，如何快速安全收運(yùn)、高效生產(chǎn)、精準(zhǔn)檢測和智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計已經(jīng)成為占領(lǐng)市場份額的重要依據(jù)，未來智能焚燒成為危廢處理處置發(fā)展的必然趨勢。利用一臺便攜式的儀器同時完成多項(xiàng)危險廢物定性指標(biāo)的快速自動測定，對于增加企業(yè)的市場競爭力有絕對優(yōu)勢。

3 危險廢物快速定性檢測裝置分析方法及結(jié)構(gòu)

設(shè)計開發(fā)的便攜式危險廢物快速定性檢測裝置，其具備自動進(jìn)樣、自動加藥、智能判斷、數(shù)據(jù)記錄、即時傳輸?shù)裙δ?，裝置體積小巧輕便，并且內(nèi)部具有獨(dú)立電源，能攜帶至產(chǎn)廢端輔助危險廢物定性分析。通過調(diào)研危險廢物管理過程的檢測需求，按照檢測原理歸類、簡化和合并，最終篩選出同時滿足快速計價和安全收運(yùn)基本的檢測項(xiàng)目，主要是危險廢物物理特性和10個快速分析指標(biāo)，如酸堿性、可燃性、水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、氰化物、硫化物、氧化性、氨、聚合性。

本裝置利用攝影機(jī)、復(fù)合電極、氣體傳感器、電弧放電器等小型設(shè)備搭建自動化檢測模塊，取代實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)人工指紋分析目視法、試紙法以及明火測試法。參考檢測項(xiàng)目的反應(yīng)原理及其關(guān)聯(lián)性，裝置共設(shè)置五個檢測項(xiàng)目通道，分別為水通道、聚合通道、酸通道、堿通道和可燃性通道。

3.1 水通道

水通道主要分析危險廢物酸堿性、氧化性以及水相容性，以去離子水為水通道反應(yīng)試劑，在危險廢物中以1∶10比例滴加去離子水，通過將pH電極和ORP電極組合的復(fù)合電極檢測，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)三者反應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件按照設(shè)定程序分析，最終輸出其檢測結(jié)果。

3.2 聚合通道

聚合通道主要分析危險廢物聚合性，參考指紋分析中聚合性檢測原理，采用三乙胺作為反應(yīng)試劑。程序按照1∶1的比例加入危險廢物和三乙胺，通過將溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)的檢測數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)，智能識別和輸出改通道檢測結(jié)果。

3.3 酸通道

酸通道主要分析危險廢物酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物，本裝置簡化實(shí)驗(yàn)試劑，統(tǒng)一采用磷酸取代指紋分析中酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物檢測試劑鹽酸和硫酸。磷酸具備酸性，能酸化危險廢物，使硫化物和氰化物反應(yīng)生成硫化氫和氰化氫，已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證酸通道采用磷酸取代指紋分析中硫酸及鹽酸的用法可行。酸反應(yīng)通道硫化物及氰化物經(jīng)磷酸酸化加熱后生成硫化氫和氰化氫，利用泵傳輸氣體至傳感器測定混合氣體氣體組分，酸反應(yīng)性通過內(nèi)置攝影機(jī)拍攝，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)數(shù)據(jù)輸出酸通道結(jié)果。

上述規(guī)則(以下稱“連線式密碼”)已廣為運(yùn)用。本文研究上述三條規(guī)則中的一條或多條加以改變對密碼安全程度的優(yōu)化情況。本文先研究一條規(guī)則改變的情況下安全性的變化情況。

3.4 堿通道

堿通道主要分析危險廢物堿反應(yīng)性和氨，延續(xù)指紋分析中堿反應(yīng)性和氨使用的氫氧化鈉溶液，氨反應(yīng)加熱催化，經(jīng)過氨氣體傳感器測定其組分，堿反應(yīng)性通過內(nèi)置攝影機(jī)拍攝，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)反應(yīng)數(shù)據(jù)輸出堿通道結(jié)果。

3.5 可燃性通道

可燃性通道主要分析危險廢物可燃性。以電極放電產(chǎn)熱的方式取代傳統(tǒng)指紋分析中明火加熱，將危險廢物置于小型坩堝中，由于正負(fù)電極電弧引燃放熱，熱量積聚于坩堝，可燃物受熱燃燒，通過相機(jī)記錄反應(yīng)過程變化，輸出可燃性結(jié)果。

3.6 組成機(jī)構(gòu)及功能

危險廢物快速檢測裝置主要分為設(shè)備組件和系統(tǒng)軟件兩個模塊組成，基礎(chǔ)設(shè)備模塊包括運(yùn)動機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、加藥機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等，軟件包括單片機(jī)程序、上位機(jī)軟件和視覺分析系統(tǒng)等。多元化的單一結(jié)構(gòu)組合成裝置自動檢測程序，利用編程分析傳輸運(yùn)行數(shù)據(jù)，搭建數(shù)字化、智能化分析平臺，形成企業(yè)或行業(yè)危險廢物特性數(shù)據(jù)庫，為實(shí)現(xiàn)智能焚燒提供基本依據(jù)。

（1）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)由單片機(jī)程序、上位機(jī)和視覺分析等軟件組成，危險廢物快速定性檢測裝置通過單片機(jī)編制程序和上位機(jī)軟件，共同控制裝置內(nèi)部各模塊聯(lián)動運(yùn)作，系統(tǒng)按照既定的程序同時完成五個通道的快速定性檢測，經(jīng)過視覺分析智能判斷危險廢物反應(yīng)性，并將數(shù)據(jù)匯總上傳，從而實(shí)現(xiàn)裝置的自動化智能化檢測目標(biāo)。

系統(tǒng)前期利用攝影機(jī)拍攝采集危險廢物樣品的視覺數(shù)據(jù)并分析，逐漸建立視覺分析的數(shù)學(xué)模型，并且系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，自動收集分析新現(xiàn)象。通過視覺分析，多樣化的危廢樣品反應(yīng)性均可直接被裝置智能識別。

（2）運(yùn)動系統(tǒng)。危險廢物快速檢測裝置內(nèi)部設(shè)置樣品反應(yīng)倉、試劑倉、振動器、蠕動泵和內(nèi)置攝像頭等單一運(yùn)動模塊，各運(yùn)動模塊安裝相應(yīng)的伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)以控制其動作模式，實(shí)現(xiàn)各模塊自動化機(jī)械動作，如反應(yīng)倉進(jìn)出動作、密封蓋板動作、蠕動泵加藥動作和振動器搖晃動作等。配置的定位系統(tǒng)輔助運(yùn)動模塊在特定位置執(zhí)行任務(wù)，連貫各模塊基本動作能初步搭建系統(tǒng)自動化運(yùn)行模式，是實(shí)現(xiàn)檢測自動化的基礎(chǔ)。

（3）檢測系統(tǒng)。采用復(fù)合電極檢測其酸堿性（pH）與氧化性（ORP），把pH玻璃電極和ORP電極組合在一起，將化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號，系統(tǒng)根據(jù)pH和ORP輸出結(jié)果判斷其酸堿性和氧化性兩項(xiàng)指標(biāo)。復(fù)合電極具有使用方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)。硫化物、氰化物、氨檢測采用小型氣體傳感器檢測，溫度采用溫度傳感器完成檢測。系統(tǒng)程序?qū)⒏鱾鞲衅麟娦盘栟D(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，及時傳遞給處理器并依次自動輸出并存儲樣品檢測結(jié)果。

（5）輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)是指除搭建裝置基本自動功能外的優(yōu)化系統(tǒng)，如加熱系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)等，優(yōu)化系統(tǒng)是不可或缺的次要系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)的有效搭建能保障裝置的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裝置連續(xù)、安全、高效地完成檢測工作。加熱系統(tǒng)是采用加熱片加熱的方法，在各個反應(yīng)通道四周設(shè)置加熱片，按照程序設(shè)定溫度快速均勻的加熱，以達(dá)到裝置對樣品的加熱要求。目前清洗系統(tǒng)包括管道清洗和電極清洗，管道清洗是通過在裝置內(nèi)部增加一臺泵，抽取排空傳感器管道及倉室內(nèi)殘余反應(yīng)氣體，從而達(dá)到保護(hù)和延長傳感器使用壽命，減少相鄰檢測樣品高低濃度的交叉污染，提高傳感器的檢測精度的目的。電極的清洗則是利用快接頭安裝方式組合電極，電極在使用后能快接拆除，收集清洗。尾氣系統(tǒng)配置了抽風(fēng)裝置和排氣裝置，實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體的集中收集，統(tǒng)一吸收排放。

3.7 檢測流程

危險廢物快速定性檢測裝置使用前先開啟操作面板，進(jìn)入操作程序。打開檢測軟件后根據(jù)樣品檢測需求設(shè)置反應(yīng)通道、試劑量和振動頻率等參數(shù)，其中系統(tǒng)內(nèi)置運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)和默認(rèn)所有通道檢測，常規(guī)樣品可直接跳過參數(shù)設(shè)定步驟。當(dāng)試劑倉彈出后，按要求向五個通道中加入一定量危廢樣品，同時檢查試劑倉剩余用量，確認(rèn)無誤后啟動檢測程序，系統(tǒng)設(shè)置五個通道同時進(jìn)行檢測工作，當(dāng)檢測完成后輸出樣品檢測結(jié)果，現(xiàn)場出具打印檢測報告，數(shù)據(jù)能上傳至公共端，公司關(guān)聯(lián)人員能立即查看，如圖1所示。

圖1 危險廢物快速定性檢測裝置檢測流程圖

危險廢物快速定性檢測裝置中五個通道同時檢測，1#通道是水通道，主要分析危險廢物酸堿性、氧化性以及水相容性，2#通道是聚合通道主要分析危險廢物聚合性，3#通道酸通道主要分析危險廢物酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物，4#通道堿通道主要分析危險廢物堿反應(yīng)性和氨，5#通道可燃性通道主要分析危險廢物可燃性。

其中1#～4#通道檢測流程大致相同，主要是先對危險廢物原樣拍照和測溫，加入試劑后第二次拍照，試劑倉搖晃靜置后進(jìn)行第三次拍照和測溫，3#～4#加熱催化后啟動泵將反應(yīng)氣體抽取至傳感器檢測，檢測人員初步復(fù)核檢測結(jié)果，確認(rèn)后系統(tǒng)將整合復(fù)合電極、氣體傳感器、溫度傳感器和視覺分析等數(shù)據(jù)，綜合判斷并輸出1#～4#通道的分析結(jié)果。5#通道檢測流程同樣是先對危險廢物原樣拍照，隨后在啟動電弧打火的同時拍照，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時間連續(xù)多次拍照，檢測人員初步復(fù)核檢測圖片，確認(rèn)后系統(tǒng)智能化比對圖片，判斷并輸出5#通道的分析結(jié)果。系統(tǒng)整合5個通道數(shù)據(jù)后輸出檢測報告，整個檢測分析過程用時約5 min，大大縮減了單個樣品檢測時長。

4 危險廢物快速檢測裝置應(yīng)用

危險廢物快速檢測的市場調(diào)研表明，處置企業(yè)重視危險廢物全流程管理，對高效快速的定性便攜式危險廢物檢測裝置有迫切的需求，研發(fā)人員將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)體，組合多樣化運(yùn)動機(jī)構(gòu)，成功開發(fā)危險廢物快速檢測裝置。處置企業(yè)內(nèi)部各環(huán)節(jié)都依賴于指紋分析，為優(yōu)化裝置功能，提高其適用性，將裝置投放處置企業(yè)各需求部門，各部門每月輪換使用，研發(fā)人員收集裝置使用反饋信息。

第一代危險廢物快速檢測裝置能正常運(yùn)行，基本滿足指紋分析檢測需求，因其具有便攜式的特點(diǎn)，經(jīng)過簡單培訓(xùn)的非專業(yè)人員，能方便攜帶至各環(huán)節(jié)完成檢測任務(wù)。市場人員攜帶本裝置到產(chǎn)廢端檢測，在產(chǎn)廢單位現(xiàn)場快速完成危險廢物指紋分析，當(dāng)場出具危險特性結(jié)果，實(shí)現(xiàn)快速定價、立即收運(yùn)的目標(biāo)。工服人員在應(yīng)急現(xiàn)場快速檢測未知危險廢物的特性，通過基本定性結(jié)果，提前制定安全合理的收運(yùn)方案，降低危險廢物在應(yīng)急現(xiàn)場和收運(yùn)過程中帶來的安全風(fēng)險。物控人員嚴(yán)格管控進(jìn)出倉庫的危險廢物，檢測大量危險廢物的危險特性，使用本裝置減少人為主觀錯誤判斷和操作失誤，極大提高危險廢物檢測準(zhǔn)確率和效率。工藝人員抽檢異常危險廢物，該裝置能為不具備實(shí)驗(yàn)器材和場地的檢測需求，提供快速有效的數(shù)據(jù)支持生產(chǎn)運(yùn)營。單個樣品檢測時間控制在5 min，極大地提高了危險廢物檢測效率，滿足日常大批量危廢樣品的檢測需求，為企業(yè)快速提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

但目前第一代危險廢物快速檢測裝置仍存在下列問題。裝置試劑倉容積與檢測數(shù)量不匹配，假設(shè)要求樣品完成全部檢測指標(biāo)，試劑倉的容積應(yīng)根據(jù)試劑量而定，制作不同比例大小的容器。裝置具備獨(dú)立電源能攜帶，但自重大，應(yīng)重新評定電源、外殼及試劑倉等機(jī)構(gòu)的最優(yōu)比例。耗材是降低成本的關(guān)鍵因素，由于受前期裝置應(yīng)用場景和檢測原理限制，裝置內(nèi)部耗材均為非標(biāo)原件，市場無售賣，只能定制制造，造價成本高，需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)，采用市面普通耗材，降低樣品檢測成本。裝置部分軟件功能未能實(shí)現(xiàn)，如無線傳輸、數(shù)據(jù)統(tǒng)籌和系統(tǒng)自查等，需進(jìn)一步改善。

5 結(jié)束語

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的多番努力，成功開發(fā)第一代危險廢物快速定性檢測裝置，一臺具備便攜式自動檢測功能危險廢物特性的裝置，其基本滿足對危險廢物檢測需求，但在部分設(shè)備硬件和軟件仍有改進(jìn)空間。危險廢物快速定性檢測裝置的成功投用，打通所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)壁壘，建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品，為未來多組合的集成或者智能化、信息化危險廢物檢測儀器研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)智能焚燒提供基本依據(jù)。